Een onderzoeksteam van de National University of Singapore (NUS), onder leiding van assistent-professor Chen Po-Yen, heeft de eerste stap gezet om de veiligheid en precisie van industriële robotarmen te verbeteren door een nieuwe reeks reksensoren van nanomateriaal te ontwikkelen die 10 keer gevoeliger zijn bij het meten van minuutbewegingen, vergeleken met bestaande technologie.

Gefabriceerd met behulp van flexibele, rekbaar, en elektrisch geleidende nanomaterialen genaamd MXenes, deze nieuwe spanningssensoren ontwikkeld door het NUS-team zijn ultradun, batterijvrij en kan draadloos gegevens verzenden. Met deze gewenste eigenschappen de nieuwe reksensoren kunnen potentieel worden gebruikt voor een breed scala aan toepassingen.

assistent-professor Chen, die van de NUS-afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering is, uitgelegd, "De prestaties van conventionele reksensoren zijn altijd beperkt geweest door de aard van de gebruikte meetmaterialen, en gebruikers hebben beperkte mogelijkheden om de sensoren aan te passen voor specifieke toepassingen. In dit werk, we hebben een gemakkelijke strategie ontwikkeld om de oppervlaktestructuren van MXenes te controleren, en dit stelde ons in staat om de detectieprestaties van spanningssensoren voor verschillende zachte exoskeletten te controleren. De sensorontwerpprincipes die in dit werk zijn ontwikkeld, zullen de prestaties van elektronische skins en zachte robots aanzienlijk verbeteren."

Precisie productie

Een gebied waar de nieuwe spanningssensoren goed kunnen worden gebruikt, is de precisieproductie, waar robotarmen worden gebruikt om ingewikkelde taken uit te voeren, zoals het maken van kwetsbare producten zoals microchips.

Deze spanningssensoren, ontwikkeld door NUS-onderzoekers, kunnen als een elektronische huid op een robotarm worden aangebracht om subtiele bewegingen te meten terwijl ze worden uitgerekt. Wanneer geplaatst langs de gewrichten van robotarmen, Met deze spanningssensoren kan het systeem precies begrijpen hoeveel de robotarmen bewegen en wat hun huidige positie is ten opzichte van de rusttoestand. De huidige standaard reksensoren hebben niet de vereiste nauwkeurigheid en gevoeligheid om deze functie uit te voeren.

Conventionele geautomatiseerde robotarmen die worden gebruikt in precisiefabricage, vereisen externe camera's die vanuit verschillende hoeken op hen zijn gericht om hun positionering en beweging te volgen. De ultragevoelige spanningssensoren die door het NUS-team zijn ontwikkeld, zullen de algehele veiligheid van robotarmen helpen verbeteren door geautomatiseerde feedback te geven over precieze bewegingen met een foutmarge van minder dan één graad, en verwijder de noodzaak voor externe camera's, omdat ze positionering en beweging kunnen volgen zonder enige visuele invoer.

"Het is een groot genoegen voor Realtek Singapore om samen te werken met assistent-professor Chen Po-Yen en zijn team in NUS voor de ontwikkeling van draadloze sensormodules die van toepassing zijn op zachte robots en industriële robotarmen. Onze mede-ontwikkelde draadloze sensoren met door de klant aangewezen detectieprestaties laat de robots zeer nauwkeurige bewegingen uitvoeren, en de feedback-detectiegegevens kunnen draadloos worden verzonden, die aansluiten bij de benaderingen van Realtek Singapore in draadloze slimme fabriek. Realtek zal blijven bouwen aan een sterke samenwerking met NUS en we kijken ernaar uit om de technologieën van het lab naar de markt te brengen, " zei Dr. Yeh Po-Leh, Voorzitter van Realtek Singapore.

Klantgericht, ultragevoelige sensoren

De technologische doorbraak is de ontwikkeling van een productieproces waarmee NUS-onderzoekers zeer aanpasbare ultragevoelige sensoren kunnen maken over een breed werkvenster met hoge signaal-ruisverhoudingen.

Het werkvenster van een sensor bepaalt hoeveel hij kan uitrekken, terwijl zijn detectiekwaliteiten behouden blijven. De hoge signaal-ruisverhouding betekent een grotere nauwkeurigheid omdat de sensor onderscheid kan maken tussen subtiele trillingen en minieme bewegingen van de robotarm.

Met dit productieproces kan het team hun sensoren aanpassen aan elk werkvenster tussen 0 en 900 procent, met behoud van een hoge gevoeligheid en signaal-ruisverhouding. Standaardsensoren kunnen doorgaans een bereik tot 100 procent bereiken. Door meerdere sensoren te combineren met verschillende werkvensters, NUS-onderzoekers kunnen een enkele ultragevoelige sensor maken die anders onmogelijk te bereiken zou zijn.

Het onderzoeksteam heeft twee jaar nodig gehad om deze doorbraak te ontwikkelen en heeft sindsdien hun werk gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano in september 2020. Ze hebben ook een werkend prototype van de toepassing van zachte exoskeletten in een zachte robotrehabilitatiehandschoen.

"Deze geavanceerde flexibele sensoren geven onze zachte draagbare robots een belangrijk vermogen om de motorische prestaties van de patiënt te meten, vooral in termen van hun bewegingsbereik. Dit zal de zachte robot uiteindelijk in staat stellen om het vermogen van de patiënt beter te begrijpen en de nodige hulp te bieden bij hun handbewegingen, " zei universitair hoofddocent Raye Yeow, die aan het hoofd staat van een laboratorium voor zachte robotica in de NUS-afdeling Biomedische Technologie, en leidt het Soft and Hybrid Robotics-programma onder het National Robotics R&D Program Office.

Robotchirurgie

Het team wil ook de mogelijkheden van de sensor verbeteren en samen met het Singapore General Hospital de toepassing onderzoeken in zachte exoskeletrobots voor revalidatie en in chirurgische robots voor transorale robotchirurgie.

"Als chirurg we vertrouwen niet alleen op ons zicht, maar ook op onze tastzin om het gebied in het lichaam waar we opereren te voelen. kankerachtige weefsels, bijvoorbeeld, anders voelen dan normaal, gezond weefsel. Door ultradunne draadloze detectiemodules toe te voegen aan lange robotgereedschappen, we kunnen bereiken en opereren in gebieden waar onze handen niet kunnen komen en mogelijk de weefselstijfheid kunnen "voelen" zonder de noodzaak van open chirurgie, " zei Dr. Lim Chwee Ming, Senior consultant, KNO-hoofd- en nekchirurgie, Algemeen ziekenhuis van Singapore.